SAR數據濕地植被生物量反演方法研究進展
針對未來的碳釋放量有可能成為氣候環境不確定性的最大來源，而生物量的精確製圖可以大大減小碳排放和吸收中的不確定性，能更好地理解其在全球變化中的重要地位。本文基於SAR數據在濕地植被生物量反演製圖中的有效性及重要性，從極化分解理論、微波散射模型、生物量反演方法等方面探討SAR數據在濕地植被生物量反演中的應用潛力。
濕地生態系統是人類賴以生存和持續發展的重要支撐系統，濕地生態環境中孕育著大量的生物量資源，在全球碳循環中發揮重要作用。濕地植被生物量是指單位面積內存在的濕地植物的總重量，通常以鮮重（濕重）或乾重表示，是衡量濕地生態系統健康狀況和湖泊生態系統自然生產率的重要指標，代表著濕地演替的相關階段，也是研究濕地生態系統物質循環、能量流動和生產力的基礎。
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SAR數據濕地植被生物量反演適應性分析
由於濕地類型的多樣化、濕地生物量的動態變化大，濕地所在地在交通和測量方面都存在很大的不便，傳統的生物量調查方法耗費大量的人力、物力，在空間全局性、時效性等方面存在著明顯的局限。而遙感技術可為濕地研究提供大量有用信息，雷達相比於光學遙感的工作波段較長，回波信號對生物量的飽和點較高；雷達成像全天時、全天候且對雲霧、植被的穿透性使得雷達遙感可以獲取植被表層和體散射的信息，更適合於用來反演具有體結構特徵的植被參數。
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單/多極化SAR數據濕地生物量反演
SAR經過50多年的發展，已經從兩種極化模式發展到了多波段、多極化、全極化的階段，為開展實地生物量的反演研究提供了可靠的數據源。利用單/多波段、極化SAR數據進行濕地生物量估算主要通過地面實測數據與雷達數據建立回歸關係或者利用雷達散射模型模擬的後向散射與濕地植被生物物理參數之間的關係來進行生物量的估算。
圖 1. ENVISAT ASAR雙極化SAR數據鄱陽湖濕地植被生物量動態變化（2007年）
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極化SAR濕地植被生物量反演
極化SAR數據的採用可以更好地分析濕地植被在全極化下的不同響應，提高生物量反演的精度。Radarsat-2數據多模式自主選擇的方式在濕地製圖方面彰顯了優勢，極化特性更是提高了數據對目標結構的敏感性。極化分解方法提取和觀測目標物理散射機制的相關極化參數，且在區分植被、城市或人工建築物方面有較高的精度，經過研究者們完善提出的Freeman極化分解方法估算生物量相關參數的模型公式較為全面。
圖2. RADARSAT-2極化SAR數據鄱陽湖濕地植被生物量分布圖（2011年4月8日）
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微波植被散射模型
Attema及Ulaby提出了植被覆蓋地表的水雲模型，將整個植被層看作是均勻分布的相同大小的類似水分子層，水雲模型得到了廣泛的應用。Mcdonald 等提出了針對森林的MIMICS模型，將森林重新建模分成冠層，枝幹層及地表部分，考慮了二次散射，有學者將其適應化後應用到植被的參數估計方面。為了解決傳統模型模擬過程中的相位信息缺失問題，研究人員也建立了適合不同產品的植被相干散射模型。Stiles等人針對具有細長葉片結構的草地植被進行建模，模擬後向散射，後又細化完善草地植被模型提出了全相位相干散射模型。課題組同時針對鄱陽湖濕地的植被特徵建立了適用於鄱陽湖濕地植被的相干散射模型。
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生物量反演方法
目前在生物量反演方法中比較常用的是線性回歸及多元回歸分析方法，在光學領域是通過尋找生物量與光學影像各通道或者各種指數間的關係來反演生物量；而在雷達領域是尋找生物量與不同極化或極化組合之間的關係。由於神經網路在模擬非線性關係上的優勢，利用模型結合影像的方法來估測植被生物量的方法更是具有較好的反演精度。
伴隨著SAR數據的普遍使用，利用極化SAR數據對濕地植被進行生物量反演將成為一個新的研究熱點。鄱陽湖濕地植被自然生長特性讓植株分布隨機，且濕地植被在SAR不同極化、波段、入射角情況下擁有不同的響應方式，濕地環境因素、植被各生物物理參數對在不同的情況下對SAR後向散射的影響也不盡相同，只有通過研究不同極化方式下濕地植被的響應機制，才可以有效地降低散射模型、反演模型的複雜度。尋找到適合濕地環境下植被生物量反演的極化分解方法及極化特徵參數組合，才能進一步提高反演濕地植被生物量的精度。
以上內容由數字地球重點實驗室沈國狀提供。
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